사출성형 기초 지식 3

플라스틱 수지의 이해

1) 수지의 구조
   - 사슬구조에 따른 특징
2) 수지의 점도
   - 전단율에 따른 변화
   - 온도에 따른 변화
3) 중요한 수지의 성질
   - 용융점 또는 유리천이온도
   - 열변형 온도

 

수지의 미세구조

1) 수지는 긴 사슬이 연결된 형태로 구성되어 있으며 길이가 매우 길다.
   - 상업용 수지는 단량체가 약 50 ~ 100만 개가 연결되어 있다.
2) 느슨한 털실 뭉치와 같은 형태가 가장 안정된 형태이며 녹은 상태에서는 이 상태로 존재한다.
   - 고상에서는 결정을 이루는 부분과 결정을 이루지 못하는 부분으로 구성된다.

 

폴리에틸렌의 예

폴리에틸렌 구조

 

사슬 구조의 차이

수지 사슬 구조의 차이 

 

수지의 분류

1) 수지를 크게 구분하면 열경화성(Thermosetting) 수지와 열가소성(Thermoplastic) 수지로 구분하는데, 이는 재가열하여 다시 성형할 수 있는가를 기준으로 한다.
2) 열경화성 수지는 한번 열을 가해 성형을 하고 나면 다시는 재가열에 의해 성형을 할 수 없는 수지이다.
3) 열가소성 수지는 여러 번 재가열에 의해 성형이 가능한 수지이며, 전체 수지 사용량의 약 90 % 를 차지한다.
4) 열가소성 수지는 결정 구조에 따라 반결정성(Semi-crystalline), 비결정성(Amorphous) 수지로 구분한다.

 

분자 구조의 차이

수지의 분자구조 차이

 

열경화성 수지 (Thermoset)

1) 열경화성 수지의 분자는 경화 이전에는 사슬 구조를 유지하고 있으나, 경화되면 사슬의 중간 부분들이 서로 연결되어 망구조(Network structure)를 형성하여 열에 의해 변경되지 않게 된다.
2) 대표적인 수지로서, 페놀, 에폭시, 폴리에스테르 그리고 우레탄 등이 있다. 또한 고무 역시 이 범주에 속하지만 광범위한 용도와 독특한 성질 때문에 고무는 별도로 다룬다.
3) 열에 대한 내성이 뛰어나고 기계적 성질이 높으나, 재활용이 되지 않기 때문에 응용 범위가 제한을 받는다.

 

열가소성 수지 (Thermoplastic)

1) 열가소성 수지는 얼마든지 재가열에 의해 성형을 할 수 있어, 재활용이 용이하다.
2) 온도를 올리면 유연해지고 녹아 흐르게 된다.
3) 대부분 주위에서 볼 수 있는 플라스틱 수지가 이 범주에 속한다.
4) 결정 구조에 따라 반결정성과 비결정성 수지로 나눌 수 있다.
5) 본 강의의 대부분은 열가소성 수지를 중심으로 성형기와 성형 공정을 설명한다.

 

반결정성 수지 (Semi-crystalline)

1) 결정이란 공간에서 일정한 규칙으로 분자 혹은 원자들이 배열하는 것을 의미한다.
2) 긴 사슬과 같은 구조를 가진 수지는 사슬이 일정한 길이로 접혀 쌓여지면서 판과 같은 형상으로 결정을 만들어 낸다.
3) 수지는 100 % 결정 구조를 가지지 못하고 결정과 결정 사이에 비결정 구조가 항상 있기 때문에, 반결정성이라 부른다.

 

반결정성 수지의 특징

1) 용융점에 이르면 급격한 부피 변화가 나타나고, 잠열이 흡수된다. 따라서, 냉각시 수축률이 크며 냉각을 위한 열전달량이 많아 냉각 용량이 커져야 한다.
2) 성형 온도는 용융점을 지나 적당한 유동성을 가지는 온도로 설정하며, 용융점을 지나면 점도가 급격하게 저하되어 유동성이 좋아진다.
3) 대표적인 수지로는 나일론, 아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 있다.

 

반결정성 수지의 결정 구조

반결정성 수지의 결정 구조

 

반결정성 수지의 체적 변화

반결정성 수지의 체적 변화

 

비결정성 수지 (Amorphous)

1) 일정한 분자 배열을 이루지 않는다.
2) 색소가 없는 경우 빛이 투과하는 성질이 있다.
3) 용융점이 없고 급격한 부피 변화가 없어, 성형시 수축률이 적고 냉각을 위한 열전달량이 적다.
4) 온도의 변화에 따라 유동성이 서서히 변하며, 적정한 유동성을 가지는 온도에서 성형하면 된다. 일반적으로 반결정성 수지에 비해 유동성이 떨어진다.
5) 대표적인 수지로는 폴리스티렌, 아크릴, 폴리카보네이트 등이 있다.

 

비결정성 수지의 체적 변화

비결정성 수지의 체적 변화

 

점도 (Viscosity)

1) 점도란 흐름에 대해 유체가 저항하는 정도를 나타내는 용어이며, 이를 정량적으로 나타낸 것이 점도이다.
2) 전단율의 변화와 온도의 변화 등에 따라 점도가 변하는 특성을 유체의 점성이라 부른다.
3) 물과 같은 선형 유체는 전단율이 증가해도 점도의 변화가 없다.
4) 고분자와 같은 비선형 유체는 전단율이 증가함에 따라 점도가 낮아진다. 이를 Pseudo-plastic 거동이라 부른다.

 

수지의 점도 변화

1) 수지의 점도는 전단율의 증가에 따라 저하되는 거동을 보인다.
   - 점도가 낮아지는 정도는 분자 구조에 관계가 깊다. 배향이 잘 일어나는 분자를 가진 수지가 점도 저하가 더 크게 일어난다.
   - 일반적으로 30 ~ 100 배의 점도 저하를 보인다.
2) 전단율 증가에 따른 점도 저하를 수학적으로 가장 간단하게 표시하는 방법이 Power Law 모델이며, 이 식에서 나타나는 지수를 유동 지수라고 부른다.

 

수지의 점도

수지의 점도

 

전단율이란?

전단율 비교

일반적으로 동일한 두께의 판 사이나 관에서는 빠른 흐름이 전단율이 높다.

 

왜 점도의 저하가 발생하는가?

점도의 상태

흐르는 상태에서 길게 늘여진 분자는 흐름 방향으로 눕게 되고 이는 저항을 감소시킨다.

 

사출성형에서의 배향 현상

긴 분자는 유동 방향과 직각으로 놓여 있을 수 있지만, 결국에는 유동 방향과 같이 된다. 분자 배향성(Molecular Orientation)은 분자들이 속도 차에 의해 유동 방향으로 정렬되어 있는 현상을 말한다.

배향층과 비배향층

 

배향의 영향

성형품의 일반적인 특징은 양쪽 측면에 배향층을 가지고 있고, 중심에서는 비 배향층을 가진다. 특히 얇은 제품의 경우 배향성으로 인하여 유동 방향과 직각 방향의 강도 차이가 발생한다.

배향의 영향

 

2020/06/03 - [분류 전체보기] - 사출성형 기초 지식 1

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2020/06/03 - [분류 전체보기] - 사출성형 기초 지식 2

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